影响伺服系统性能的因素有哪些

伺服系统必须具备可控性好、稳定性高和适应性强等基本性能。交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、转矩波动、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。

调速范围是指电机的最高转速与最低平稳转速之比。低档的伺服系统调速范围在1∶1000以上，一般的在1∶5000～1∶10000，高性能的可以达到1∶100000以上。定位精度取决于编码器的脉冲数与驱动器对编码器的倍频细分数，例如2048线的编码器，在其倍频数为2048的条件下，理论定位精度可以达到360°/（2048×2048）。 过去在测量技术比较落后的情况下，用户还采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。

通过减速器与转轴啮合的测角线路称为精读数通道，直接取自转轴的测角线路称为粗读数通道。稳速精度，尤其是低速（比如速度给定1r/min时）下的稳速精度，一般在±0.1r/min以内，高性能的可以达到±0.01r/min以内。通常情况下，一些驱动器还以其额定转速的百分数来作为速度精度，例如西门子伺服驱动器的理想速度精度通常为其额定转速的0.001%。

转矩波动也是衡量伺服系统性能的指标，它是由驱动器、电机以及负载共同决定的。性能优良的伺服系统其转矩波动要求在±3%的范围内。通常，衡量动态响应的指标是系统最高响应频率和上升时间。上升时间指当速度设定点突然变化到实际速度稳定在设定值±2%的范围的时间，其中包括系统的死区延迟。最高响应频率即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于71%（－3dB）。如图所示，X（t）与Y（t）信号分别为系统的输入与输出。

时域范围内的信号曲线

另外，从频域上分析，系统的带宽反映伺服系统跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。根据速度闭环的伯德图，可以得到系统的带宽。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制，惯性越大，带宽越窄。通常情况下，伺服系统的带宽会随着功率范围的增加而变小。目前大部分产品的速度频带在200～500Hz，少数产品可以达到更高，如三菱伺服电机MR-J3系列的响应频率声称可高达900Hz。

速度闭环的伯德图

运行稳定性主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。这方面我国产品（包括部分台湾产品）和世界先进水平相比差距较大。

影响伺服系统性能的因素

（1）电机

电机是伺服系统的重要组成部分，电机执行能力的好坏将决定整个伺服系统的控制特性。常见的伺服电机可以分为直流调速电机与交流调速电机。和直流电机相比，交流伺服电机没有直流电机的换向器和电刷等带来的缺点。同时，电机的转动惯量、转子阻抗、电刷结构以及散热等都会影响伺服系统的性能。

（2）编码器

编码器作为控制的反馈元件，也是影响系统精度的重要因素。首先，编码器的脉冲数会直接影响系统的定位和速度控制精度；其次，编码器的最高转速也制约电机的最大转速。目前，用于伺服控制系统的编码器通常为光电编码器，分为增量式、绝对值、正余弦以及旋转变压器等类型。编码器的抗干扰能力会给系统的稳定性带来直接的影响。对于永磁同步电机，正确的转子位置识别也是控制的前提，因此，编码器能提供给驱动器正确的转子位置，也是控制的关键。

（3）驱动器

驱动器是伺服控制的核心。根据电机类型的不同，驱动器也分为不同的种类，如晶体管放大驱动器、直流驱动器及交流驱动器，目前工控行业比较常见的是交流驱动器。例如，西门子公司推出的Sinamics S120驱动器，其实是通过SPWM方式来控制电机的，其控制方式是空间矢量控制。通常情况下，电流环与速度环都是在驱动器中实现的，而位置控制可以在运动控制器中完成，也可以在驱动器中实现。电流环与速度环的闭环特性是衡量一个控制系统性能的标准，如电流环与速度环的采样周期，速度环与电流环的带宽，控制回路上的各种滤波、延迟等，都会影响系统的精度与动态响应能力。

（4）运动控制器

运动控制是在驱动器的速度环基础上，增加了位置控制、齿轮同步、凸轮、插补等运动控制功能的控制方式。 运动控制器对驱动器的控制方式有3种，即数字通信方式、模拟量方式、脉冲方式。

①数字通信方式：分辨率高，信号传输快速、可靠，可以实现高性能的灵活控制，需要通信协议。例如，西门子的Simotion与驱动器之间的数据交换采用基于Profibus或Profinet的Profidrive协议。还有其他一些欧系公司采用CAN总线的方式，日系安川公司推出了基于MECHATROLINK总线的驱动产品，通过以上的总线方式，实现了传动与运动控制器之间的数据传输控制，特别适合于需要各轴间的协调同步和插补控制的应用，除了实现机械所必需的转矩、位置、速度控制功能以外，还可实现要求精度极高的相位协调控制等。

②模拟量方式：分辨率低，信号可靠性与抗干扰性能差，但兼容性好。例如，西门子的运动控制器Simotion与第三方驱动器之间的控制可以通过模拟量的方式来实现。

③脉冲方式：可靠性高，快速性差，灵活性差。驱动对象为步进电机。

在系统选型配置过程中，运动控制器对驱动器的控制方式是设计者需要考虑的重要因素。通信是最稳定、快捷的控制方式，同时要考虑通信的传输速度。通信周期受通信速率与数据量大小的制约，以西门子的运动控制器Simotion为例，在传输速率为1.5Mbit/s的情况下，控制6个以上的轴时，系统的通信周期默认为3ms。同时，受通信周期的限制，运动控制器的插补周期与位置环采样周期通常为通信周期的整数倍。对于运动控制器来说，其插补周期与位置环采样周期是衡量系统性能的关键。

（5）机械传动

电机通常靠机械传动结构（如联轴器、齿轮箱、丝杠、传送带、机械凸轮等）与负载相接。这样，联轴器的刚性、齿轮间隙、传送带的松紧都会影响系统的控制精度。例如，对于直线移动的执行部件，电机通常靠同步皮带轮或者丝杠进行连接，同步皮带轮的啮合间隙或者丝杠螺母的滚珠与滚道间隙等，都会对直线运动位移精度造成影响。而对于机械凸轮，必须保证速度或加速度边界条件，才能使系统不至于产生机械谐振。

（6）负载

作为控制的最终对象，负载对系统性能的影响也不可忽略。负载的转动惯量的大小会影响系统的动态特性，如转动惯量大，其加速与停止过程中会要求系统的输出扭矩大，要求驱动器的驱动能力高。另外，负载与电机的转动惯量比也会影响系统的性能，转动惯量比越小，控制越容易，但电机的效率越低；惯量比大，会给系统的高频带来谐振点，从而增加控制难度。关于负载与电机惯量比的分配，可以参考BoschRexroth公司给出的“适配标准” ：快速定位＜2∶1，修正定位＜5∶1，高速率变换＜10∶1。

转动惯量

                

概念

转动惯量是表征刚体转动惯性大小、衡量刚体抵抗旋转运动的惯性的物理量。其地位相当于刚体平动中的质量，它与刚体的质量以及质量相对于转轴的分布有关。

物理意义

直接理解转动惯量比较抽象，但是我们可以用我们最常见、最直观的质量来做类比。

如果我们用同样的力在两个质量不同的物体上作用，质量重的那个物体速度变化慢。因此质量的物理意义为可以反映出物体平动状态下的惯性：质量越大，则惯性越大，即越难改变平动运动时它的运动状态（从静止开始，质量大的物体比质量小的物体更难被加速）。

同理，如果我们用同样的力矩（使物体平动的叫力，使物体转动的叫力矩）作用在物体上想让它转动，不同的物体转动的角速度变化（类似于平动中的加速度）的快慢也不同，影响角速度变化快慢的这个因素就是转动惯量。即转动惯量反映物体转动下的惯性：转动惯量大的物体角速度难于被改变。

公式

其中：  为刚体的转动惯量，  是每一个微元的质量，  为每一个微元到转轴的距离。

1、相同质量的物体，质量的分布（每一个微元距转轴的距离）如果不同，其转动惯量也不同。

2、质量分布均匀的物体，质量不同其转动惯量也不同。

平动和转动中物理量关系

（7）安装

待上述对象都得到确认后，现场装置的安装也会给整个系统带来新的问题，比如如何做好系统的接地，如何避免EMC干扰，使用合适的屏蔽电缆等，都是系统设计不可忽视的问题。例如，在编码器的电缆屏蔽层没有真正接地的情况下，反馈信号会夹杂着噪声，这种噪声对控制的精度有很大的影响，甚至会导致装置停机。

（8）系统的成套性

在整个运动控制系统的设计中，建议使用者尽可能采用同一厂家的产品，包括运动控制器、驱动器、伺服电机等，保证系统的成套性，因为这样能够避免如连线、配置、通信等方面的问题。单独购买各部件所带来的问题首先是连接顺序的复杂化，电机、驱动终端和反馈设备（包括编码器、分解器、霍尔传感器等）可以有多种不同的连接次序。采用同一供应商的电机和驱动器还有一个好处，就是能更好地安装、调试软件，并确保其兼容性 。另外，每一款电机的参数都不一致，与其匹配的驱动器都有其默认参数，从电机参数的识别方式来看，驱动器也有专有的识别方式。对于第三方电机，驱动器所能够识别的程序可能不够准确；而在精密的运动控制系统中，一个参数的差别可能会影响电机的驱动性能，从而影响控制精度。因此，建议用户尽量采用同一厂家的配套产品。 了解更多伺服与运动控制行业资讯，添加小编微信，更多福利资料等你领取~

 

 

 

 

 

 

 

审核编辑：黄飞